取得三维物体表面的二维图像的设备与方法

摘要

本发明涉及一种用于取得三维物体(3)外表面的二维图像的设备，包含：位移装置(5)，用于支撑以及位移物体(3)；单个相机(15)，用于摄取该物体表面的部分的图像；旋转装置(10)，用于旋转该物体(3)，由此该单个相机(15)能够摄取对应于该物体表面的连续暴露部分(3a)的图像。该单个照相机(15)被配置成顺序地摄取图像作为相应的单帧，且本设备进一步包含电子处理装置，其适于从该单帧读出子帧，储存所述子帧；以及将连续子帧组合成组合帧，其对应于该物体的未剥除表面区域的二维图像。本发明还涉及取得三维物体(3)外表面的二维图像的对应方法。

说明书

 交叉引用

本申请要求编号61/391,139，2010年10月8日提交的美国临时申请的优先权，其公开通过引用整体结合于此。 

技术领域

本发明涉及取得三维物体表面的二维图像的设备与方法。

背景技术

本发明在制药和保健领域发现特别的应用，尤其是执行胶囊、糖衣锭、药丸和其它三维物体的质量控制过程。在这些领域，外表面的二维图像可被用于检查印刷、表面状况、形状、颜色、尺寸或任何可见的特征，特别是检测缺陷或实体损伤的出现。二维图像可一般性地用于揭露任何从观察外表面所得到的适合信息，例如胶囊的长度。然而，本发明的应用并不限于制药与保健领域中的上述提到的应用。

本发明更具体地涉及一种设备，其包含：

　　-位移装置，用于支撑以及沿路径位移物体；

　　-摄取物体表面部分的图像的单个相机；

　　-旋转装置，用于将该物体沿一段所述路径绕其轴之一旋转，从而将物体表面的连续部分暴露于所述单个相机，由此该单个相机能够摄取与该物体表面的连续暴露部分对应的图像。

这种设备是自EPA-1112473得知。

在这个文件中公开的设备中，感测装置包含矩阵传感器，其以连续渐增为基础取得物体的暴露表面的有限部分的图像。该矩阵传感器上成像的部分的限制由机械装置所实现，该机械装置包含具备狭缝的可移动屏蔽。

与此类型设备相关联的主要问题在于机械系统的复杂性，其被可移动屏蔽的出现和对亮度照明的需求所增加，这由于显著地影响照明效率的狭缝的出现。

从而本发明的主要目标是减少机械性系统的复杂性和对于操作这种设备所需要的照明。

发明内容

为此，本发明提供上述类型的设备，其中单个相机被配置为顺序摄取图像作为相应的单帧且该设备进一步包含电子处理装置，其针对每个连续的单帧，适于：

　　·   从该单帧读出子帧，所述子帧对应于该物体表面的暴露部分的相应各个部分，由此所述连续的子帧对应于该物体表面的具有预定义的相互重迭的连续且相邻的各个部分；

·  储存所述子帧；以及

　　·   将连续子帧组合为组合帧，其对应于该物体的无剥除表面区域的二维图像。

因此，通过电子处理由成像装置所观看的暴露部分，根据本发明的设备允许成像外表面的整个暴露部分的明确定义的基本区域。本系统因为消除了对与可移动机械部件相关联的实体狭缝而被简化。除了减少制造成本，本设备的增加的可靠性也因本发明而获得。对实体狭缝或屏蔽的消除，也允许子帧的尺寸和照明水平的独立电子可调整设定。

除此的外，该电子处理允许提高本设备对不同的物体或尺寸的可适用性，例如，对不同尺寸的胶囊，特别由于对子帧的适当选择。利用本发明，子帧的数目和尺寸可根据三维物体的表面几何形状以及组合图像的所期望的质量予以选择。

相对于上述确定的现有技术，根据本发明的设备和方法在非连续的模式下进行操作以摄取与重新组合离散的子帧以覆盖整个物体表面。

可选地，根据本发明的设备可包含下述特征中的一个或更多个：

　　-电子处理装置适用于读出没有相互重叠的连续子帧；

　　-该电子处理装置适用于定义具有长方形形状的连续子帧；

　　-由该位移装置将物体进行位移所沿的路径在一个方向上延伸，且由该旋转装置所定义的物体的旋转轴基本上垂直于所述方向；

　　-该单个相机具有观看方向且由位移装置对物体进行位移所沿的路径在基本上垂直于观看方向的平面中延伸；以及

　　-该位移装置包含至少一个载体，其具备被配置成收纳该物体的外壳，且该旋转装置包含摩擦构件，当所述物体被置于载体的外壳中时，该摩擦构件被布置成局部地接触物体的外表面，该位移装置进一步包含驱动构件，其适用于相对于该摩擦构件移动该载体。

第二个方面中，本发明涉及一种取得三维物体外表面的二维图像的方法，包含：

　　-支撑并沿路径位移物体；

　　-利用单个相机来摄取该物体表面部分的图像；

　　-将该物体沿着一段所述路径绕其轴之一旋转，从而将该物体表面的连续部分暴露于所述单个相机，由此该单个相机能够摄取与该物体表面的连续暴露部分相对应的图像。

根据本发明，本方法包含以下步骤

　　-循序摄取图像作为相应的单帧，以及

　　-通过执行下述步骤来处理连续的单帧

　　·   从每个单帧读出子帧，所述子帧对应于该物体表面的暴露部分的相应各个部分，由此所述连续的子帧对应于物体表面具有预定义的相互重叠的连续且相邻的各个部分；

·  储存所述子帧；以及

　　·   将该连续子帧组合为组合帧，其对应于该物体的无剥除表面区域的二维图像。

可选地，根据本发明的方法可包含以下特征中的一个或多个：

　　-读出步骤包含读出没有相互重叠的连续子帧；

　　-处理步骤包含定义具有长方形形状的连续子帧；

　　-使物体进行位移所沿的路径在一个方向上延伸，且物体的旋转轴基本上垂直于所述方向；

　　-摄取图像的步骤是由在观看方向上取向的单个相机所执行的，且将物体进行位移所沿的路径在基本上垂直于观看方向的平面中延伸；以及

　　-旋转该物体的步骤是借助于摩擦构件来执行的，所述摩擦构件被布置成在将所述物体相对于所述摩擦构件位移时局部地接触该物体的外表面。

在第三个方面中，本发明涉及上述设备或方法用于取得制药或保健领域中所使用的类型的胶囊外表面的二维图像的用途。

在这种应用中，组合帧可以由子帧的数目所限定，该子帧的数目高于10，优选高于20，并最优选高于30。

附图说明　　

本发明的其它目标与优点将从给定位非限制示例的特别实施例的以下公开而显现，该公开对附图做出参考，其中：

图1是根据本发明的特定实施例的设备的示意正视图；以及

图2是根据本发明的方法的示意图示，该方法是通过图1的设备来执行的。

在这些图上，相同的参考数字表示相同或相似的元件。

具体实施方式

图1说明了用于取得药品或保健领域中所使用的类型的胶囊外表面的二维图像2（图2上可见）的设备1。

当然，本发明并不限于此特定应用且这样的设备可以被用于检查制药和保健产业中所使用的其它三维物体的外表面，例如糖衣锭，药丸或其它药剂形式。除了这些优选应用，本发明也适用于检查不同领域中的其它三维物体。

图1上所示的设备1被用于质量控制过程以检测在生产线中输送的胶囊3的外表面中的任何缺陷。本发明允许对每个胶囊的可靠且连续的在线检查。一旦在胶囊3之一的外表面的图像上检测到缺陷，尤其是有关形状、颜色、印刷字符或其它，则将这个胶囊3从生产线中移除。而且，图1上示出的设备被用于产生对制造过程的反馈。

所图示的胶囊3具有“硬壳”类型，每个胶囊具有沿中心轴的圆截面的通常圆柱形的形状，以及包含由套叠装入彼此的两半所制成的容器。该容器可以是空的或填装有以适当形式的适当内容（粉末，液体或其它）。

设备1包含以直线式输送带5的形式的位移装置，由直箭头所示意性表示，其借助适当的驱动构件在纵向方向X上被水平驱动。在图1上，人们可认为，只示出输送带5的一部分。实际上，所表示的设备1可以是执行生产线的质量控制过程的站台，输送带5进一步被用于输送胶囊3至执行生产过程的不同任务的不同的站台。

输送带5支撑载体6，载体6具备被配置成收纳胶囊3的外壳7。特别是，该外壳具有半圆柱形状，其沿横向方向Y延伸，水平且垂直于纵向方向X。设计外壳7大小来容纳胶囊3的下半部分。在图1上，在直线式输送带5沿纵向方向X被驱动时时，在所占据的不同位置上示出相同的载体6。尽管只以一个载体6来表示，但输送带5可以具备以适当的方式彼此间隔的多个载体6，如将在下文变得清楚的。

因此，如图1上可见的，置于载体6的外壳7中的胶囊3的上半部分呈现出外表面的自由区域，其通常在垂直于纵向方向X以及横向方向Y的垂直方向Z上被引导。根据位移装置的性质和实施方式，外表面的自由区域可具有除外表面的二分之一外的任何其它程度以及除上半部以外的任何其它位置。

该设备1也包含以摩擦杆10的形式的旋转装置，其在纵向方向X上延伸，布置在垂直方向Z上与该载体6的一定距离处且面向外壳7。当该胶囊被置于载体6的外壳7中时，在横向方向Y上优选具有减少的宽度的该摩擦杆10被放置成局部地接触该胶囊3外表面自由区域的顶部区域。该摩擦杆10是由接触胶囊3外表面时适于产生摩擦作用而允许该胶囊3在该载体6中旋转的材料所制成。该胶囊3与该载体6之间的摩擦力需要小于该胶囊3与该杆10之间的摩擦力。

该设备1也包含布置成照射胶囊3外表面的照明装置。在所图示的实施例中，照明装置包含下部发光二极管 (LED)阵列11和上部LED阵列13。

下部LED阵列11被布置在纵向方向X上，在该输送带5下方以在需要时通过扩散器12照射该胶囊3的外表面的底部区域。为了允许从下侧照射胶囊，该载体6以所图示的实施例中的通孔8形式，具有光透射或扩散窗，其与该外壳7相通。

上部LED阵列13基本上在横向方向Y上被布置在该摩擦杆10的每端处，以于在需要时通过交叉偏振器14照射胶囊3外表面的自由区域。在某些情况下，通过设置适当的照明角度，可以避免使用交叉偏振器。

应当注意的是，照明也可以被配置为只由上部LED阵列对该物体进行前方光照明。在这种情况下，优选在外壳7中提供反射且?或扩散元件，从而获得光反射并因此允许色彩（或其它光学特性）变得明显。

当放置于其中心轴在横向方向Y上延伸的载体6的外壳7中的该胶囊3被输送带5在纵向方向X上移动时，其外表面的自由区域接触该摩擦杆10。这导致该胶囊3绕着其中心轴（在所图示的实施例为逆时针方向，如圆形箭头R所示）旋转。外表面的连续部分在外表面的自由区域（意指胶囊的暴露区域，在载体上方）上行进，该摩擦杆10具有如此选择的长度使得该胶囊3的整个外表面可在该自由区域连续地行进。

在所图示的实施例中，该输送带5和该摩擦杆10限定了直线路径，该胶囊3沿该直线路径被平移移动，从而向以相机15的形式的成像装置连续地暴露自由区域上的外表面的多个部分3a。如将根据以下变得清楚的，外表面的多个暴露部分3a包含该胶囊3的整个外表面。

本发明不限于位移装置、旋转装置和照明装置的以上布置。特别是，载体6和该摩擦杆10可被布置于任何其它的适当的位置中以提供该胶囊3的旋转移动。除此之外，该移动装置可以具有驱动构件，其适于相对于该载体6移动该摩擦杆10，而非所公开的驱动构件，其适于相对于该摩擦杆10移动该载体6。此外，在其它实施例中，可提供其它适合的移动装置，其适于沿着任何其它种类的路径，例如弧形路径，来移动物体。

为扫描和成像该胶囊3的外表面，相机15被布置成观看在自由区域上行进的外表面的多个暴露部分3a。特别是，该相机15具有矩形形状的视场。该矩形形状在从透镜16延伸的椎体内在观看方向V上延伸，在所图示的实施例中，该观看方向V平行于垂直方向Z，并朝向该摩擦杆10方向变宽，从而覆盖该路径，在此路径内外表面的多个部分3a被暴露。相机15的透镜16可配备有交叉偏振器17。

如图1上可见，被置于该相机15的视场内且面向该相机15的外表面形成外表面的暴露部分3a。在图1上，呈现了三个暴露部分3a1，3a2与3a3，其以阴影线示出，对应于该路径内该胶囊3的三个连续位置。

当该胶囊3位于第一个位置(自左起胶囊3的第二个表示)中时，面向该相机12的第一个暴露部分3a1并未延伸于该外表面的整个自由区域上，因为该胶囊3相对于观看方向V被偏移。第一个暴露部分3a1在想象的直虚线l1和载体6间延伸，该想象的直虚线l1在左手方，与该胶囊3的外表面相切，该载体6在右手方。

当该胶囊3位于第二个位置(胶囊3的第三个表示)中时，面向该相机12的第二个暴露部分3a2延伸于该外表面的自由区域上，因为该胶囊3相对于观看方向V对准。

当该胶囊3位于第三个位置(自左算起第四个胶囊3表示)中时，面向该相机12的第三个暴露部分3a3，并未延伸于外表面的整个自由区域上，因为该胶囊3相对于观看方向V被偏移。第三个暴露部分3a3在载体6和想象的直虚线l3之间延伸，该载体6在左手方，该想象的直虚线l3在右手方，与该胶囊3的外表面相切。

在视场之内且被相机15所观看的外表面的整个暴露部分3a外，该相机15被控制来取得限于该暴露部分3a的基本区域3b的图像。在所图示的例子中，该基本区域3b基本上被布置在与该胶囊3外表面的顶部区域齐平的水平面内。

为此，本设备包含电子控制单元(未示出)，其被连接到该相机15和该输送带5，从而将由该相机15所执行的图像取得与由该输送带5所执行的该胶囊3的移动进行同步。除此之外，该电子控制单元适于将外表面的暴露部分3a的图像取得限制于子帧2a，其在图2上可见，对应于该胶囊3外表面的基本区域3b的图像。当该胶囊3沿路径前进时，该胶囊3外表面的暴露部分3a被改变，并且该相机15取得多个连续的子帧2a，其分别对应于外表面的相邻基本区域3b的图像。

举例来说，在图1上，该基本区域3b用粗线示出，介于起自透镜16的两条想象虚线之间且示意性地表示该子帧。当该胶囊3位于第一个位置中时，仅有第一个暴露部分3a1的第一个基本区域3b1被成像。当该胶囊3位于第二个位置中时，仅有第二个暴露部分3a2的第二个基本区域3b2被成像。当该胶囊3位于第三个位置中，仅有第三个暴露部分3a3的第三个基本区域3b3被成像。

子帧2a的数量与大小被如此选择使得相邻的基本区域3b1组合该胶囊3的整个外表面。因此，通过取得分别对应于相邻基本区域3b图像的连续子帧2a，该外表面可以被展开，然后组合连续子帧2a以形成组合帧，其对应于如图2上所示的该外表面的二维图像。

现在参考图2，其图示了将子帧的取得触发与位移装置进行同步，以及组合连续子帧以获得外表面的二维图像。

在所图示的例子中，该相机15被控制来取得路径内外表面的暴露部分3a的顶部区域的12张连续小型的信箱形状的图像。得到的12张矩形子帧2a然后被组合以形成图2上的组合帧。顶部区域被该摩擦杆10遮住的部分，在所得到的图像上是不可见的。这可以通过该摩擦杆10的另一布置来避免。

关于图2，公开了实施以上公开的设备1的实施例的用于取得该胶囊3外表面的二维图像的方法。

由于该输送带5和该摩擦杆10施于该胶囊3的旋转，使该外表面的多个部分3a被暴露于该相机15，如先前所解释的。

然后由电子控制单元确定在该外表面的多个暴露部分3a内所要取得的连续子帧2a的数目与大小。特别是，子帧的数目与大小可以预先设定于电子控制装置的内存中或通过通信接口来编制。

在所图示的例子中，要取得12张长方形形状的子帧2a，其对应于当该胶囊3沿着路径前进时该胶囊3外表面的12个相邻的顶部区域的图像。子帧的数目当然可以不同并且适于要被检查的胶囊或物体的尺寸以及也适于所需的最终图像的质量。

子帧的数目通常在是6至36的范围内。举例来说，在胶囊检查的应用中，这个数目优选地高于10，更优选地高于20，以及最优选地高于30。

然后，该电子控制单元可以继续进行对每个连续子帧2a沿附着到视场的基准面的第一和第二方向的坐标的计算。在所图示的实施例中，基准面是与该胶囊3的外表面的顶部区域齐平的水平面。第一方向对应于纵向方向X，以及第二方向对应于横向方向Y。在这个基准面中，视场具有纵向方向X上的维度，其对应于长度L，以及横向方向Y上的维度，其对应于宽度W。

连续子帧的纵向方向X的坐标系由电子控制装置所确定，通过从原点O，以等于视场长度L与第一方向X上连续子帧的数目的比值的偏移来递增X坐标。Y方向由视场的宽度W所确定。

在所图示的例子中，其中12个连续子帧具有相互重叠且每个子帧沿视场的整个宽度W延伸，每个子帧2a的坐标，单位为像素或mm，可以按照以下方式通过对应于子帧对边的一对点来定义：

　　-子帧2a1：(0；0)，(长度L/12-1像素或mm；宽度W)， 

　　-子帧2a2：(长度L/12；0)，(2*长度L/12-1像素或mm；宽度W)，

　　-子帧2a3：(2*长度L/12；0)，(3*长度L/12-1像素或mm；宽度W)，

　　-子帧2an：((n-1)*长度L/12；0)，(n*长度L/12-1像素或mm；宽度W)，其中n=1，…，12。

如在图2上可见，连续子帧的取得与该胶囊3的移动同步且可以在胶囊的中心线处于子帧的中心时被触发。当该输送带5包含数个载体6时，两个连续载体6之间的间距应以物体的整个表面可被成像为基础来计算。

为获得胶囊3的外表面的二维图像2，该连续子帧2a1，2a2，2a3，...，然后由电子控制单元来组合。

从对移动中胶囊进行光学成像到创建最后组合帧以用于图像处理的顺序如下：

　　(i)清洁相机的传感器；

　　(ii)胶囊的光学图像被投射到该相机的二维传感器上；

　　(iii)该胶囊位于该位置的整个图像在传感器上被摄取为单帧；

　　(iv)该帧的区域，即感兴趣的子帧，被读出、传送和储存；

　　(v)该子帧被添加/插入到目标组合帧中；

　　(vi)胶囊持续向前移动以暴露要被成像的新区域；

　　(vii)从步骤(i)重复本过程直到所有的子帧都已经被成像并且传送到该组合帧中；

　　(viii)对最终组合帧执行最终图像处理。

已经相对于具有沿中心轴的圆截面的圆柱形形状的胶囊做出以上描述。不过，本发明不限于取得这种三维物体的圆柱形外表面的二维图像，并且可被应用于取得具有任何其它形状的三维物体的图像，例如具有更复杂外表面的三维物体的图像。

为此，该移动装置可以按照任何适合的方式相对于比以上公开的实施例的轴数更大的轴数，来移动、特别是平移与旋转该物体。特别是，可以相对于三个正交轴（包括纵向轴、横向轴和垂直轴）中的至少两个来平移和/或旋转该物体。除此此外，该电子控制单元与该相机可适于例如通过子帧的适当形状的定义以及子帧的适当坐标的计算来取得适当的子帧。

本发明提供了一种设备和方法，其中基于使用单个相机而不使用机械快门配置来成像三维物体外表面并且将其转换成二维表示，而没有显著失真或图像质量上的减少。将组合帧从多个子帧在单个相机传感器帧上数字地构造，与光学构造相反。子帧的尺寸被选择成确保三维物体表面到二维组合帧中的投射具有最小的失真与劣化。

该物体的平移与旋转可被控制，使得整个外表面被完整地暴露在组合帧之内。在替代实施例中，该完整表面可以被欠驱动或过驱动以扩张或压缩来使其在组合帧内合适。